A mechanikusan aktív ragasztó megakadályozza és támogatja az izomsorvadásból való felépülést

A mechanikusan aktív ragasztó megakadályozza és támogatja az izomsorvadásból való felépülést

A túl kevés testmozgás miatti izomsorvadás, ami gyorsan megtörténik a gipszben rögzített végtagtörésnél, és lassabban az idősebbeknél. Az izomsorvadás, ahogyan a klinikusok emlegetik a jelenséget, szintén legyengítő tünet az olyan neurológiai betegségekben szenvedő betegeknél, mint az amiotrófiás laterális szklerózis (ALS) és a sclerosis multiplex (MS), és szisztémás válasz lehet más betegségekre, köztük a rákra és a cukorbetegségre.

Dieses Bild zeigt Beispiele von MAGENTA-Prototypen, die mit einer Feder aus einer „Formgedächtnislegierung“ und einem Elastomer hergestellt wurden, und wie ihre Größe mit der einer Ein-Cent-Münze verglichen wird. Bildnachweis: Wyss Institute an der Harvard University

A mechanoterápia, a terápia manuális vagy mechanikus formája széles körű szövetjavítási potenciállal rendelkezik. A legismertebb példa a masszázs, amelynek során az izmokat nyomásstimulációval ellazítják. Sokkal kevésbé világos azonban, hogy az izmok külső eszközökkel történő nyújtása és összehúzása is kezelés lehet-e. A mai napig két fő kihívás akadályozta meg az ilyen vizsgálatokat: a korlátozott mechanikai rendszerek, amelyek képesek egyenletesen feszítő és összehúzó erőket generálni az izmok hossza mentén, és ezeknek a mechanikai ingereknek az izomszövet felszínére és mélyebb rétegeibe való nem hatékony eljuttatása.

Most a Harvard Egyetem Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering és a Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) biomérnökei kifejlesztettek egy MAGENTA nevű, mechanikusan aktív ragasztót, amely puha roboteszközként működik, és megoldja mindkét problémát – a hajtogatási problémát. Állatmodellben a MAGENTA sikeresen megelőzte és elősegítette az izomsorvadásból való felépülést. A csapat eredményeit a Nature Materials-ban teszik közzé.

A MAGENTA-val új, integrált, többkomponensű rendszert fejlesztettünk ki az izommechanostimulációhoz, amely közvetlenül az izomszövetre alkalmazható, hogy elindítsa a növekedés kulcsfontosságú molekuláris jelátviteli útvonalait. Bár a tanulmány az első bizonyítéka annak, hogy a külsőleg kifejtett nyújtó és összehúzó mozgások megakadályozhatják az atrófiát egy állatmodellben, úgy gondoljuk, hogy az eszköz alapvető kialakítása széles körben adaptálható különféle betegségekhez, ahol az atrófia komoly probléma.”

David Mooney, Ph.D., vezető szerző és a Wyss alapító törzskarának tagja

Mooney a Wyss Institute Immuno-Materials Platformjának vezetője, valamint Robert P. Pinkas család biomérnöki professzora a SEAS-nál.

Izmokat mozgatni képes ragasztó

A MAGENTA egyik fő alkatrésze egy nitinolból készült rugó, amely egy olyan típusú fém, amelyet "shape memory alloy" (SMA) néven ismernek, és amely lehetővé teszi a MAGENTA gyors aktiválását, ha egy bizonyos hőmérsékletre melegítik. A kutatók úgy aktiválták a rugót, hogy elektromosan rákötötték egy mikroprocesszoros egységre, amely képes programozni a tágulási és összehúzódási ciklusok gyakoriságát és időtartamát. A MAGENTA további alkatrészei egy elasztomer mátrix, amely az eszköz testét alkotja, és szigeteli a felmelegített SMA-t, valamint egy „kemény ragasztó”, amely lehetővé teszi az eszköz szilárdan rögzítését az izomszövethez. Ily módon a készülék az izommozgás természetes tengelyéhez igazodik, és az SMA által generált mechanikai erőt mélyen az izomba továbbítja. A Mooney's csoport fejleszti a MAGENTA-t, amely a "mechanikailag aktív gél elasztomer nitinol szövetragasztó" rövidítése, mint a számos szívós gél ragasztó egyike, amelyek funkcióit többféle regeneratív alkalmazásra szabják több szövetben.

A MAGENTA eszköz kifejlesztése és összeszerelése után a csapat tesztelte izomdeformáló képességét, először ex vivo izolált izmokban, majd az egerek egyik fő vádli izmába ültetve. A készülék nem okozott komoly szöveti gyulladást és károsodást, és körülbelül 15%-os mechanikai igénybevételt mutatott az izmokon, ami összhangban van az edzés közbeni természetes deformációjukkal.

Omics e-könyv

Összeállítás az elmúlt év legjobb interjúiból, cikkeiről és híreiről. Tölts le egy ingyenes példányt

A terápiás hatékonyság értékelésére a kutatók ezután az izomsorvadás in vivo modelljét alkalmazták úgy, hogy egy egér hátsó végtagját egy apró, gipszszerű burkolatban rögzítették a MAGENTA eszköz beültetése után legfeljebb két hétig. "Míg a kezeletlen és az eszközzel kezelt, de nem stimulált izmok jelentősen eltűntek ebben az időszakban, az aktívan stimulált izmok kisebb izomvesztést mutattak" - mondta a vezető szerző és a Wyss technológiafejlesztési munkatársa, Sungmin Nam, Ph.D. „Megközelítésünk elősegítheti a háromhetes immobilizációs időszak alatt már elvesztett izomtömeg helyreállítását, és aktiválhatja azokat a kulcsfontosságú biokémiai mechanotranszdukciós útvonalakat, amelyekről ismert, hogy indukálják a fehérjeszintézist és az izomnövekedést.

A mechanoterápia szempontjai

Egy korábbi tanulmányban Mooney csoportja Conor Walsh, a Wyss Associate Faculty tagja csoportjával együttműködve azt találta, hogy az akutan sérült izmok szabályozott ciklikus kompressziója (szemben a nyújtással és összehúzódással) egy másik puha roboteszköz segítségével csökkentette a gyulladást és lehetővé tette az izomrostok helyreállítását az akutan sérült izomban. Mooney csapata új tanulmányukban azt kérdezte, hogy ezek a nyomóerők védelmet nyújthatnak-e az izomvesztés ellen is. Ha azonban közvetlenül összehasonlították az előző eszközzel végzett izomkompressziót a MAGENTA eszközzel végzett izomnyújtással és -összehúzódással, csak az utóbbinak volt egyértelmű terápiás hatása az egér atrófia modelljében. "Jó esély van arra, hogy a különböző lágy robotikus megközelítések az izomszövetre gyakorolt ​​egyedi hatásukkal betegség- vagy sérülés-specifikus mechanoterápiás utakat nyithatnak meg" - mondta Mooney.

A MAGENTA képességeinek további bővítése érdekében a csapat megvizsgálta, hogy az SMA rugót lézerfénnyel is lehet-e aktiválni, amit korábban nem mutattak be, és ami lényegében vezeték nélkülivé tenné a megközelítést, és kiterjesztené terápiás hasznosságát. Valójában kimutatták, hogy az elektromos vezetékek nélküli beültetett MAGENTA eszköz fényérzékeny működtetőként működhet, és deformálhatja az izomszövetet, ha lézerfénnyel besugározzák a fedő bőrrétegen keresztül. Míg a lézeres aktiválás nem érte el ugyanazt a frekvenciát, mint az elektromos aktiválás, és különösen úgy tűnt, hogy a zsírszövetek elnyelnek némi lézerfényt, a kutatók úgy vélik, hogy az eszköz bizonyított fényérzékenysége és teljesítménye tovább javítható. "A MAGENTA általános képességei és az a tény, hogy összeállítása milliméterről több centiméterre is könnyen méretezhető, érdekessé teheti a jövőbeli mechanoterápia központi elemeként, nemcsak az atrófia kezelésére, hanem talán a bőr, a szív és más olyan területek regenerációjának felgyorsítására is, amelyek előnyösek lehetnek a mechanotranszdukció ezen formájából" - mondta Nam.

„Az egyre növekvő felismerés, hogy a mechanoterápiák képesek kielégíteni a kritikus kielégítetlen szükségleteket a regeneratív gyógyászatban oly módon, ahogyan a gyógyszeralapú terápiák egyszerűen nem képesek, a kutatás új területét ösztönözte, amely összekapcsolja a robotikus innovációkat az emberi fiziológiával egészen az egyéb mechanikai ingereket továbbító molekuláris jelátviteli útvonalakig” – mondta a Wyss alapító igazgatója, Donald Ingber, MD, Ph.D. "Dave Mooney és csoportjának ez a tanulmánya nagyon elegáns és úttörő példája annak, hogyan lehetne ezt a fajta mechanoterápiát klinikailag alkalmazni a jövőben." Ingber emellett a Harvard Medical School és a Boston Children's Hospital Judah Folkman érbiológiai professzora, valamint Hansjörg Wyss bioinspirált mérnöki professzor a SEAS-nál.

A tanulmány további szerzői közé tartozik Bo Ri Seo, Alexander Najibi és Stephanie McNamara, a Wyss Institute és a SEAS Mooney csoportjából. A tanulmányt a Nemzeti Fogászati ​​és Koponya- és Arckutatási Intézet (díjszám: R01DE013349), az Eunice Kennedy Shriver Nemzeti Gyermekegészségügyi és Emberi Fejlesztési Intézet (díj P2CHD086843), valamint a Harvard Egyetem Nemzeti Tudományos Alapítványának Anyagkutatási Tudományos és Mérnöki Központja (díjszám: DMR14-20570) finanszírozta.

Forrás:

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard

Referencia:

Nam, S. és mtsai. (2022) Az aktív szövetragasztó aktiválja a mechanoszenzorokat és megakadályozza az izomvesztést. Természetes anyagok. doi.org/10.1038/s41563-022-01396-x.

.